前沿 | 高通量衛(wèi)星新技術(shù)（下）

前沿|高通量衛(wèi)星新技術(shù)（下）

文 | 任佳熙 郭威

前文回顧《前沿|高通量衛(wèi)星新技術(shù)（上）》

通信衛(wèi)星是運行在不同地球軌道上的人造地球衛(wèi)星。通信衛(wèi)星通過反射或中繼無線電信號，實現(xiàn)地表、天空、太空以及深空間的無線通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段組成，其中空間段指衛(wèi)星或者衛(wèi)星星座；地面段指建于地球表面用來監(jiān)測和控制衛(wèi)星的關(guān)口站和控制中心；用戶段指配備了能夠接收和發(fā)射無線電信號天線的終端，包括地球站等固定終端，手機、電腦等便攜式終端，以及車載、機載、船載等移動終端，通過不同的衛(wèi)星通信組網(wǎng)方案，實現(xiàn)空間段、地面段和用戶段的統(tǒng)一協(xié)作。

高通量衛(wèi)星憑借多點波束、頻率復(fù)用和高增益波束三項關(guān)鍵技術(shù)，不僅實現(xiàn)了頻譜資源的高復(fù)用率，地域范圍的廣覆蓋率，大大提升了通信容量；也為衛(wèi)星通信平臺從支持星狀組網(wǎng)向網(wǎng)狀組網(wǎng)升級轉(zhuǎn)變提供了可能性，多點波束通過波束成形技術(shù)將空間分割為多個互不重疊的邏輯信道，點波束內(nèi)部以及互不相鄰的點波束之間都可以使用相同頻率進(jìn)行通信，這符合TDMA網(wǎng)狀組網(wǎng)在同一頻段多點同時通信的內(nèi)在要求。

衛(wèi)星通信平臺是VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，大多數(shù)高通量衛(wèi)星只能支持星狀VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，根本原因在于衛(wèi)星本身提供的是星狀網(wǎng)衛(wèi)星通信平臺。當(dāng)前一般常見的GEO靜地軌道高通量衛(wèi)星（如協(xié)同1號和中星16號）所支持的VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)都是星狀網(wǎng)。

在一顆星狀組網(wǎng)的高通量衛(wèi)星覆蓋范圍下，VSAT遠(yuǎn)端站只能接收來自于某一關(guān)口站(Gateway Station，亦稱信關(guān)站)所發(fā)出的出境載波。而VSAT遠(yuǎn)端站所發(fā)出的入境載波，則也只能全部無條件地回傳到關(guān)口站。

 在一顆星狀組網(wǎng)的高通量衛(wèi)星覆蓋范圍下，VSAT遠(yuǎn)端站只能接收來自于某一關(guān)口站(Gateway Station，亦稱信關(guān)站)所發(fā)出的出境載波。 

倘若不同點波束下的VSAT遠(yuǎn)端站之間有業(yè)務(wù)需要互通的話，則必須經(jīng)由一個或多個關(guān)口站轉(zhuǎn)發(fā)，通過衛(wèi)星雙跳才能實現(xiàn)。即使兩個VSAT遠(yuǎn)端站肩并肩地位于同一個用戶波束之下，它們之間的通信也都必須經(jīng)其上屬關(guān)口站的轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)，如下圖所示：

 兩個VSAT遠(yuǎn)端站肩并肩地位于同一個用戶波束之下，它們之間的通信也都必須經(jīng)其上屬關(guān)口站的轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)

即在一顆高通量衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，VSAT遠(yuǎn)端站只能與關(guān)口站通過衛(wèi)星單跳直接互通，而VSAT遠(yuǎn)端站之間則必須經(jīng)由關(guān)口站轉(zhuǎn)發(fā)，通過衛(wèi)星雙跳才能實現(xiàn)間接互通。盡管這種星狀的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能夠為用戶提供十分經(jīng)濟的VSAT設(shè)備和非常低廉的通信服務(wù)，但在傳輸時延、自主可控和安全可靠等方面的性能，卻存在著許多不足之處。

例如，在安全可靠性方面，如果關(guān)口站所在波束遭到了干擾，或關(guān)口站本身因降雨降雪或設(shè)備故障等原因而失效，則其下轄所有遠(yuǎn)端站點，甚至整個網(wǎng)絡(luò)都將無法正常工作而完全癱瘓。

不同的衛(wèi)星通信網(wǎng)組網(wǎng)方案不僅需要地面上的關(guān)口站和終端具備一定的條件，也離不開衛(wèi)星通信平臺的支持。新型高通量衛(wèi)星通信平臺為了滿足用戶靈活的組網(wǎng)需求，需要適應(yīng)VSAT全網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以Intelsat的Epic^NG衛(wèi)星通信平臺為例，數(shù)字負(fù)載技術(shù)提供了傳統(tǒng)高通量衛(wèi)星無法實現(xiàn)的多項功能，尤其是任意波束內(nèi)的自發(fā)自收,以及任意波束之間的星上交鏈連接，都為用戶組建VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)提供了更強的靈活性、自主性、可靠性和安全性。下面將著重介紹Intelsat聯(lián)合諾達(dá)衛(wèi)星通信系統(tǒng)公司(ND SATCOM)等合作伙伴在其Epic^NG系列高通量衛(wèi)星下所進(jìn)行的VSAT網(wǎng)狀網(wǎng)的測試。

2018年2月1日至6月30日，Intelsat國際通信衛(wèi)星公司(以下簡稱Intelsat)聯(lián)合其合作伙伴，在歐洲利用Intelsat Epic史詩級系列HTS(高通量衛(wèi)星)對VSAT網(wǎng)狀網(wǎng)(以下簡稱HTS網(wǎng)狀網(wǎng))進(jìn)行了測試。其中，在空間段上選用了Intelsat的IS-33e衛(wèi)星平臺，而在地面段上則選用了德國諾達(dá)衛(wèi)星通信有限公司(ND SATCOM GmbH，以下簡稱諾達(dá)公司)的SKYWAN 5G VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。

以下為具體情況介紹。

IS-33e高通量衛(wèi)星的軌道位置相當(dāng)優(yōu)越，在空間中位于東經(jīng)60o，其星下點基本上處于亞洲、非洲、歐洲和澳洲的正中心。不僅于此，IS-33e高通量衛(wèi)星的覆蓋也相當(dāng)完美，其整星基本上覆蓋了亞洲、非洲和歐洲全境。見下圖：

IS-33e亞洲、非洲和歐洲點波束覆蓋圖

HTS網(wǎng)狀網(wǎng)的測試是在歐洲進(jìn)行的，測試站點選在了法國的巴黎，德國的萊比錫、狐城和腓特烈港，以及波蘭的華沙。這些站點均位于IS-33e覆蓋區(qū)的西北邊緣，而波束則相應(yīng)地選用了能夠覆蓋這些站點的K28、K29和K33號等三個點波束。見下圖：

IS-33e歐洲點波束覆蓋圖及測試站點位置示意圖

參與測試的站點的具體情況如下表所示：

以下照片為部分參與測試的站點：

部分參與測試站點照片

整個測試分為兩個階段進(jìn)行。其中，第一階段為在單一點波束中的網(wǎng)狀網(wǎng)測試，而第二階段則是在三個點波束中的網(wǎng)狀網(wǎng)測試。

第一階段(2018年3月7日~4月12日)：

首先，自2018年3月7日至4月12日進(jìn)行了第一階段的測試。這一階段的測試是在K29號這一個點波束中進(jìn)行的，在該波束中覆蓋有腓特烈港、萊比錫和狐城等3個站點，其中腓特烈港站被設(shè)置為主控站(Master)，而萊比錫站和Intelsat的狐城站則被設(shè)置為從控站(Slave)。

根據(jù)測試計劃，衛(wèi)星帶寬共計有5.2MHz，即在K29號點波束上動用了相鄰的兩段2.6MHz Epic子信道。而在這5.2MHz帶寬內(nèi)則設(shè)置了2路TDMA信道，其中一路帶寬為1.35MHz，另一路帶寬為3.3MHz。根據(jù)鏈路計算，理論上這兩路信道中的載波速率能夠分別達(dá)到4.5Mbps和11.0Mbps。詳見下表：

由于本次測試的主要目的是考察網(wǎng)狀網(wǎng)中衛(wèi)星通信鏈路的連通性和穩(wěn)定性，所以在實際測試中根據(jù)SKYWAN 5G衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)特點，并沒有使用“4/5FEC+32PSK”這樣的ModCod(調(diào)制編碼)組合，而是采用了“6/7FEC+16APSK”ModCod組合，以及1.1倍的TDMA信道間隔(滾降系數(shù)0.1)。見下圖：

 第一階段測試：單帶寬分配示意圖

下圖所示則為在K29號點波束中的上行鏈路和下行鏈路的星上自環(huán)關(guān)系：

第一階段測試：單點波束衛(wèi)星通信鏈路自環(huán)示意圖

如圖所示，在K29號點波束中，地面站發(fā)射的上行信號都通過衛(wèi)星又環(huán)回到了本波束中的下行接收上。即，在該點波束中，各個站點都是能夠通過衛(wèi)星單跳直接互通的，當(dāng)然這也同時需要VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠支持。

下圖所示為經(jīng)過15小時所測出的腓特烈港主控站的誤碼率：

 第一階段測試：腓特烈港站點誤碼率

如圖所示，經(jīng)對腓特烈站點進(jìn)行測試，TDMA通信鏈路的突發(fā)丟失率僅為6.3x10^-9，而誤碼率則僅為5.0x10^-12，都非常低。這不僅證明了在單個點波束中網(wǎng)狀網(wǎng)的衛(wèi)星通信鏈路是完全暢通的，而且還十分穩(wěn)定，因而組建網(wǎng)狀網(wǎng)是完全可行的。

第二階段(2018年5月7日~6月18日)：

2018年5月7日至6月18日進(jìn)行了第二階段測試。這一階段的測試動用了K28、K29和K33號等三個點波束，以及其覆蓋之下的巴黎、腓特烈港、萊比錫、狐城和華沙等多個站點。其中，腓特烈港站和Intelsat的狐城站被設(shè)置成為互為異地備份的主用主控站(Master)和備用主控站(Backup Master)，而其它站點則均被設(shè)置為從控站(Slave)。

由于這三個點波束均為IS-33e高通量衛(wèi)星的邊緣波束，而參與測試的地面站也都處于波束的邊緣地區(qū)，仰角都非常低(其中尤以巴黎站為甚)，所以通信鏈路的信道速率并不太高。下表所示為巴黎站對其它站點的鏈路計算摘要：

下表所示則為覆蓋相對較強的華沙站對其它站點的鏈路計算摘要：

在實際的衛(wèi)星通信鏈路穩(wěn)定性和誤碼率測試中，根據(jù)SKYWAN 5G的技術(shù)特點，采用了“3/4FEC+8PSK”ModCod組合，以及1.1倍的TDMA信道間隔(滾降系數(shù)0.1)。見下圖：

第二階段測試：帶寬分配示意圖

下圖所示則為在K28、K29和K33號點波束中的上行鏈路和下行鏈路的星上自環(huán)和交鏈關(guān)系：

第二階段測試：三點波束衛(wèi)星通信鏈路自環(huán)和交鏈?zhǔn)疽鈭D

如圖，以K28號點波束為例：

· 首先，在K28號點波束中，地面站發(fā)射的上行信號(橙色)通過自環(huán)，被下行回傳到了本波束中(淺黃色)；

· 另外，在K28號點波束中發(fā)射的這一上行信號(橙色)還通過星上交鏈，被同時下行傳送到了K29號和K33號點波束中(深黃色)。

K29號和K33號點波束同理。

這樣，在任意點波束中的地面站就都能夠通過衛(wèi)星單跳，將其上行信號直接下行傳送到所有點波束中；而不管地面站處于哪一點波束中，也都能夠通過衛(wèi)星單跳，直接接收到來自于所有點波束中發(fā)出的上行信號。如下為示意圖：

 多點波束衛(wèi)星通信鏈路自環(huán)和交鏈關(guān)系

以此通過星上自環(huán)和星上交鏈，IS-33e對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)就提供了一個能夠進(jìn)行網(wǎng)狀通信的基礎(chǔ)平臺，即可組建VSAT網(wǎng)狀網(wǎng)，當(dāng)然這也同時需要VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠支持。

以下為各個站點的誤碼率測試結(jié)果：

第二階段測試：華沙、狐城、腓特烈港和巴黎站點誤碼率

對以上站點進(jìn)行的誤碼率測試從1小時到16小時不等，結(jié)果顯示突發(fā)丟失率和誤碼率均為0。這就進(jìn)一步證明了，即使在多個點波束中，網(wǎng)狀網(wǎng)的衛(wèi)星通信鏈路也同樣是完全暢通和十分穩(wěn)定的，因而組建網(wǎng)狀網(wǎng)也是完全可行的。

HTS網(wǎng)狀網(wǎng)測試總結(jié)

通過對基于Intelsat Epic史詩級系列高通量衛(wèi)星以及SKYWAN 5G衛(wèi)星通信系統(tǒng)的HTS網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)行測試可以看出：

· 與一般的呈星狀或多星狀的HTS VSAT網(wǎng)絡(luò)不同，利用Intelsat Epic系列高通量衛(wèi)星和SKYWAN 5G衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以組建VSAT網(wǎng)狀網(wǎng)。

· 該VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以由用戶在任意波束下自行組建(即專網(wǎng))，而不必依賴于VSAT運營商的公網(wǎng)，從而能夠有效提高VSAT網(wǎng)絡(luò)的自主可控性。

· 在所組建的VSAT網(wǎng)絡(luò)中，用戶的主控站(Master)和業(yè)務(wù)主站(Hub)可以設(shè)置在任意站點，且可設(shè)置多個，互為異地備份，從而可以大大提高VSAT網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可用性、隱蔽性和安全性。

HTS網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用和SKYWAN 5G

下圖所示為HTS網(wǎng)狀網(wǎng)的一種應(yīng)用場景：

HTS網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用場景示例

如圖所示為利用IS-33e的K57、K47和K58號點波束在東南亞地區(qū)所組建的兩個局部VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的場景，其中既包括陸基的固定站點，也包括船載的漫游站點，而應(yīng)用則可為區(qū)域性的專網(wǎng)通信。

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